CN106887386A - 准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于半导体基板加工工艺领域，具体涉及准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法。利用图案化使薄膜形成桥式结构，利用准分子激光退火使非晶硅薄膜形成多晶硅薄膜。此方法形成的多晶硅薄膜用做多晶硅薄膜晶体管的有源层，可有效降低晶体管关态漏电流，提高器件性能。

Description

准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法

技术领域

本发明主要属于半导体基板加工工艺领域，具体涉及准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法。

背景技术

薄膜晶体管(Thin Film Transistor，简称TFT)是一种绝缘栅场效应晶体管.它的工作状态可以利用Weimer表征的单晶硅MOSFET工作原理来描述.以n沟MOSFET为例,当栅极施以正电压时,栅压在栅绝缘层中产生电场,电力线由栅电极指向半导体表面,并在表面处产生感应电荷.随着栅电压增加,半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层,形成反型层.当达到强反型时(即达到开启电压时),源漏间加上电压就会有载流子通过沟道。当源漏电压很小时,导电沟道近似为一恒定电阻,漏电流随源漏电压增加而线性增大.当源漏电压很大时,它会对栅电压产生影响,使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱,半导体表面反型层中电子由源端到漏端逐渐减小,沟道电阻随着源漏电压增大而增加.漏电流增加变得缓慢,对应线性区向饱和区过渡.当源漏电压增到一定程度,漏端反型层厚度减为零,电压在增加,器件进入饱和区.在实际显示器生产中,主要利用a-Si:H TFT的开态(大于开启电压)对像素电容快速充电,利用关态来保持像素电容的电压,从而实现快速响应和良好存储的统一.

低温多晶硅(Low Temperature Poly Silicon，简称LTPS)薄膜由于其原子排列规则，载流子迁移率高(10～300cm²/Vs)，应用于等电子元器件时，可使TFT具有更高的驱动电流，因此，在TFT的制作工艺中广泛采用LTPS薄膜作为TFT的核心结构之一的有源层的材料。

目前，在现代TFT制造工艺中，多采用准分子激光退火(Excimer laser annealing，ELA)的方法形成多晶硅有源层。其中，ELA法主要通过一定能量的准分子激光对非晶硅薄膜进行激光照射，利用激光光束的能量使非晶硅在高温下转变成LTPS。ELA形成的多晶硅TFT具有迁移率很高的优点。

然而，其也具有严重的缺点：如关态漏电流过高。通过ELA方法将非晶硅层转化成多晶硅层，在多晶硅层形成的过程中，大量晶粒间界产生于晶粒之间。由于晶界的存在，使得多晶硅沟道内部存在陷阱态，这些陷阱态能够捕获并释放自由移动的电子，这导致在关态时，ELA形成的多晶硅TFT泄露电流较高。随着器件经历长时间的偏压作用，在多晶硅晶界处将产生越来越多的陷阱态，器件的电学性能因而不断下降。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜晶体管的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法，所述方法将沉积在基板上的非晶硅薄膜制备成具有桥式沟道多晶硅薄膜，所述方法包括图案化和准分子激光退火；

所述图案化使薄膜形成桥式结构；

所述准分子激光退火使非晶硅薄膜形成多晶硅薄膜；

所述准分子激光退火发生在图案化之前或图案化之后。

进一步地，所述图案化包括掩模沉积、刻蚀和掩模剥离，在完成刻蚀并在掩模剥离前还有掺杂PH^X+步骤。

进一步地，所述桥式结构掩膜层单个栅型结构宽度1μm，相邻结构间距1μm，厚度为800nm。

进一步地，掺杂PH^X+浓度范围为9×10¹³cm^-2～9×10¹⁴cm^-2。利用浓度改变电阻率，低于9×10¹³cm^-2易造成电阻过大，使Ion受到抑制而下降，影响开态时工作能力，同时，合适的掺杂浓度可以提供良好的欧姆接触。

进一步地，掺杂后进一步刻蚀去除掺杂过程中碳化的掩模，刻蚀后玻璃掩模，用清洗剂清洗薄膜避免刻蚀后薄膜氧化造成界面处缺陷增多。

进一步地，所述掩模沉积可以为灰阶掩模。

进一步地，所述方法还包括在图案化及准分子激光退火均完成后对薄膜表面进行修复处理，修复图案化过程中使薄膜表面产生大量缺陷态。

进一步地，所述修复处理为对薄膜进行CF₄,NH₃或H₂等离子处理。

进一步地，所述方法制备的桥式沟道多晶硅薄膜用作多晶硅薄膜晶体管的有源层。

进一步地，所述基板上的非晶硅薄膜通过PECVD方法淀积。

进一步地，基板上还沉积有缓冲层。

本发明的有益技术效果：

本发明利用准分子激光退火方法制备桥式多晶硅薄膜，将其应用于多晶硅薄膜晶体管可以大幅度减小关态漏电流，提升器件的电学性能。

在本发明的技术方案中，关键工艺为在有源沟道中选择性的掺杂，掺杂类型与源漏极掺杂类型相同(PH^X+)，掺杂PH^X+浓度范围为9×10¹³cm^-2～9×10¹⁴cm^-2，利用浓度改变电阻率。低于9×10¹³cm^-2易造成电阻过大，使Ion受到抑制而下降，影响开态时工作能力，同时，合适的掺杂浓度可以提供良好的欧姆接触；在沟道内形成连续的PN结，TFT关态时，多个PN结的内建电场的存在，将会有效地阻止电子自发的热运动，所以桥式沟道的形成可以有效地弥补ELA形成多晶硅有源沟道晶界存在导致的漏电流问题。

附图说明

图1、实施例1方法流程示意图；

图2、实施例2方法流程示意图；

图3、实施例3灰度掩模版示意图；

图中：1、基板，2、缓冲层，301、非晶硅薄膜，302、多晶硅薄膜，303、桥式沟道多晶硅薄膜，304、桥式沟道非晶硅薄膜，4、掩模版，401、灰阶掩模版。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法，所述方法将沉积在基板上的非晶硅薄膜制备成具有桥式沟道多晶硅薄膜，所述方法包括以下步骤：

(1)PECVD淀积形成非晶硅层，工艺条件为功率1100W,压强1600mtorr，通入主要气体SiH₄ 840sccm，Ar 66000sccm，形成厚度为的非晶硅膜层；

(2)对非晶硅层进行准分子激光退火(ELA)，形成多晶硅有源层，激光能量密度为400-450J/cm²；

(3)将形成后的多晶硅有源层多余部分刻蚀去除，在形成的多晶硅层的表面淀积掩膜层，掩膜层刻蚀主要气体为CF₄/O₂，流量分别为1000/400sccm，在压强为7.6mtorr,功率为S/B＝19000W/17000W,温度为30℃的条件下，完成掩膜层的刻蚀，形成桥式结构；

(4)以桥式掩膜层进行多晶硅层掺杂，形成桥式掺杂结构有源层，掺杂类型与源漏极掺杂类型相同(PH^X+)，掺杂PH^X+浓度范围为9×10¹³cm^-2～9×10¹⁴cm^-2；

(5)通入1500sccm O₂，在功率为S/B＝15000/3000，压强为10mtorr，温度为30℃的条件下，进行50s，完成Ashing工艺去除碳化PR胶；

(6)之后在温度50℃的条件下，采用TMAH溶液，进行Strip剥离工艺；

(7)进一步刻蚀，刻蚀工艺同形成桥式掩膜层工艺，完成掩模剥离；

(8)采用低浓度0.5％的HF清洗P-Si表面，采用CF₄、NH₃或H₂等离子处理60s修复多晶硅表面缺陷，各等离子处理工艺均在120mtorr压强，30℃下进行，气体流量分别为150sccm/300sccm/500sccm；

(9)完成后工艺流程，形成TFT。

所述操作流程工艺如图1所示。

制备的桥式沟道多晶硅薄膜用作多晶硅薄膜晶体管的有源层。

实施例2

与实施例1不同在于，准分子激光退火发生在清洗后和修复处理前。

(1)PECVD淀积形成非晶硅层，将形成后的多晶硅有源层多余部分刻蚀去除，所述形成的非晶硅层的表面淀积掩膜层，完成掩膜层的刻蚀，形成桥式结构；

(2)以桥式掩膜层进行多晶硅层掺杂，掺杂过后Ashing工艺去除碳化PR胶，再进行Strip剥离；

(3)进一步刻蚀，完成掩模剥离；

(4)对形成的桥式非晶硅层进行准分子激光退火(ELA)，形成桥式结构的多晶硅有源层；

(5)进行CF₄、NH₃或H₂等离子处理。

(6)完成后工艺流程，形成TFT。

所述操作流程工艺如图2所示。

工艺流程中各工艺条件与实施例1中相同，制备的桥式沟道多晶硅薄膜用作多晶硅薄膜晶体管的有源层。

实施例3

其他步骤与实施例1或实施例2相同，区别在于，所述图案化步骤为灰阶掩模，实施流程如图3所示。

(1)利用灰阶掩膜版，在P-Si上形成厚度区别的PR，分别为3μm/1.5μm，并刻蚀形成P-Si图形；

(2)灰化PR，只保留较厚区域；

(3)同实施例1，完成后工艺。

制备的桥式沟道多晶硅薄膜用作多晶硅薄膜晶体管的有源层。

Claims (10)

1.准分子激光退火制备桥式沟道多晶硅薄膜的方法，所述方法将沉积在基板上的非晶硅薄膜制备成具有桥式沟道多晶硅薄膜，其特征在于，所述方法包括图案化和准分子激光退火；

所述图案化使薄膜形成桥式结构；

所述准分子激光退火使非晶硅薄膜形成多晶硅薄膜；

所述准分子激光退火发生在图案化之前或图案化之后。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述图案化包括桥式结构掩模层沉积、刻蚀和掩模剥离；所述方法在完成刻蚀并在掩模剥离前还包括掺杂PH^X+步骤。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述桥式结构掩膜层单个栅型结构宽度1μm，相邻结构间距1μm，厚度为800nm。

4.如权利要求2所述方法，其特征在于，掺杂PH^X+浓度范围为9×10¹³cm^-2～9×10¹⁴cm^-2。

5.如权利要求2所述方法，其特征在于，掺杂后进一步刻蚀去除掺杂过程中碳化的掩模，刻蚀后玻璃掩模，用清洗剂清洗薄膜避免刻蚀后薄膜氧化造成界面处缺陷增多。

6.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述掩模沉积可以为灰阶掩模。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括在图案化及准分子激光退火均完成后对薄膜表面进行修复处理，修复图案化过程中使薄膜表面产生大量缺陷态。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述修复处理为对薄膜进行CF₄,NH₃或H₂等离子处理。

9.如权利要求1-8任一所述方法，其特征在于，所述方法制备的桥式沟道多晶硅薄膜用作多晶硅薄膜晶体管的有源层。

10.如权利要求1-8任一所述方法，其特征在于，所述基板上的非晶硅薄膜通过PECVD方法淀积。